Основные конструктивные мероприятия, направленные на повышение надежности машин, могут быть сведены в такие группы:
1.Упрощение конструктивной схемы машины, уменьшение числа составляющих элементов путем ее рационализации.
2.Замена элементов, лимитирующих надежность машины, более надежными.
3.Выбор долговечных материалов деталей и рациональных их сочетаний в сопряжениях.
4.Обеспечение функциональной избыточности элементов машины повышением запасов прочности деталей. Этот путь ограничивается требованиями к снижению материалоемкости, энергоемкости, стоимости и массы машины.
5.Защита элементов машины от разрушающих действий окружающей среды.
6.Установка различных датчиков и контрольно-измерительных устройств, сигнализирующих об изменении технического состояния и о возникновении отказов основных элементов машины.
7.Повышение уровня ремонтопригодности машины более рациональной компоновкой ее элементов, обеспечивающей свободный доступ к наименее надежным сборочным единицам. Обеспечение простоты регулировки и замены быстроизнашивающихся деталей.
8.Обеспечение благоприятных условий работы деталей и смазки трущихся поверхностей. Создание оптимальных температурных режимов работы сопряжений.
9.Создание эффективных устройств для очистки воздуха, топлива и смазки.
10.Введение системы бездефектного проектирования для предотвращения ошибок при разработке конструкторской документации.
11.Проведение испытаний машин и их элементов.
12.Организация при конструкторских бюро заводов служб надежности, контролирующих уровень надежности изделий и разрабатывающих рекомендации по повышению долговечности и безотказности машин.
Очевидно, что более надежны изделия, имеющие принципиально простые конструктивные схемы и решения, выполненные из материалов с хорошо проверенными и апробированными в эксплуатации свойствами и требующие минимального технического обслуживания в эксплуатации.
При подборе материалов деталей и рационального их сочетания исходят из необходимости обеспечения заданной долговечности при минимальной стоимости. В то же время учитывают условия работы, вид изнашивания, назначение детали.
Детали современных машин и оборудования в зависимости от назначения изготовляют из конструкционных, износостойких, фрикционных, антифрикционных, антикоррозионных и других материалов. Наиболее широко в настоящее время используют качественную конструкционную и низколегированную сталь, серый чугун, а также сплавы на основе алюминия, ковкий чугун и др.
Внезапные отказы при эксплуатации машин возникают, как правило, в результате превышения предельно допустимых нагрузок. Уровень безотказности машины определяют соотношением наиболее вероятной (типичной) максимальной нагрузки на деталь и предельно допустимой расчетной нагрузки. Одним из путей повышения безотказности машины является увеличение запаса прочности ее элементов. Запас прочности может быть повышен увеличением размеров деталей или подбором материалов с более высокими пределами прочности, усталости и других механических характеристик. Повышение запасов прочности деталей увеличением их размеров в современных условиях борьбы за снижение материалоемкости конструкций не является перспективным. Более предпочтительно снижение нагруженности деталей путем рационализации формы и параметров их рабочих поверхностей, что также повышает запас прочности и безотказность элементов машины.
Для предохранения дорогостоящих деталей от поломки при резком увеличении нагрузки в конструкции машин предусматривают установку предохранительных муфт или легкозаменяемых деталей с пониженным запасом прочности (например, распорные плиты камнедробилок).
На интенсивность изнашивания элементов машин в эксплуатации большое влияние оказывают особенности окружающей среды: влажность, запыленность и наличие абразивных частиц в пыли, температура окружающего воздуха и его химический состав. В связи с этим одним из путей повышения долговечности машин является проведение мероприятий по устранению вредного влияния перечисленных факторов. К числу таких мероприятий относят герметизацию узлов и элементов, установку защитных кожухов, предохраняющих рабочие поверхности от попадания влаги и абразивной пыли, применение коррозионно-стойких материалов, создание надежных, герметичных систем смазки.
Большое значение для повышения долговечности трущихся деталей машин имеет разработка герметичных конструкций уплотнений, включая создание долговечных сальниковых уплотнений. В результате исследования надежности большого числа вариантов сальников в настоящее время отработана конструкция и рецептура материала. Для изготовления сальников рекомендуется применять резину на основе фторкаучуков, резинопробковые композиции вместо ранее применяемых пробковых уплотнений и вулканизированный паронит вместо обычного.
Защита элементов машин виброударного действия от динамических нагрузок применением современных амортизационных систем или вынесением рабочего органа с вибратором за пределы силовой установки также позволяет повысить долговечность и безотказность элементов машин.
Важным мероприятием, направленным на повышение надежности машин и эффективности их использования в эксплуатации, является установка датчиков и контрольно-измерительных приборов. Оценка технического состояния основных элементов машины при работе в эксплуатации позволяет предвидеть момент отказа того или иного элемента и своевременно принять меры для восстановления его работоспособности.
В результате удается не только сократить до минимума простои, связанные с устранением отказа, но и предотвратить поломки и неисправности, вызванные отказом.
Техническое состояние машины и время устранения отказа зависят от ремонтопригодности изделий. Поэтому при разработке конструкции машин и оборудования необходимо обеспечить возможность легкого доступа к месту повреждения, наличие диагностических средств оценки технического состояния и определения причин отказа, возможность и удобство проведения регулировочных и смазочных работ.
Большое значение для повышения надежности элементов машины имеет обеспечение благоприятных условий работы деталей и сопряжений. Интенсивность изнашивания деталей зависит от температуры трущихся поверхностей и условий смазки. Температуру в узлах трения снижают с помощью водяной, воздушной или комбинированной системы охлаждения. Условия теплообмена механизма с окружающим воздухом улучшают различными конструктивными решениями: созданием теплоизолирующих прорезей (в головках блока цилиндров и на поршнях), установкой в бобышках поршней пластинок из инвара, увеличением поверхности теплоотдачи введением ребер и изменением формы теплоотдающей поверхности.
Подачу смазки под давлением и ее фильтрацию все шире применяют в узлах трения трансмиссий. Ряд ответственных узлов ходовой части гусеничных машин переводят с консистентной смазки на жидкостную (втулки цапф рам, подшипники опорных катков и др.). Большое внимание в настоящее время уделяют созданию эффективных устройств для очистки воздуха, топлива и смазки.
Основная масса абразивной пыли, значительно увеличивающей интенсивность изнашивания деталей, поступает в двигатель с воздухом через воздухоочиститель. Большое внимание уделяют разработке новых воздухоочистителей инерционно-масляного типа и совершенствованию их конструкции. Степень очистки воздуха существующих инерционно-масляных воздухоочистителей достигает на максимальных расходах воздуха 98,3 – 98,8 %. В последнее время разработаны эффективные двухступенчатые воздухоочистители сухого типа с эжекционным отсосом пыли. У этих воздухоочистителей в качестве первой ступени очистки воздуха использована инерционная решетка, а второй ступенью служит сменный фильтрующий элемент из высокопористого картона. Степень очистки воздуха от пыли двухступенчатым воздухоочистителем сухого типа с эжекционным отсосом пыли достигает 99,6 – 99,9 %. Срок службы таких воздухоочистителей на автомобиле составляет 30 – 40 тыс. км при наработке до технического обслуживания 12 – 20 тыс. км.
Для очистки топлива используют бумажные фильтрующие элементы БФДТ. Эффективными устройствами для очистки масла от абразивных частиц и продуктов износа являются полнопоточные масляные центрифуги, магнитные пробки в картерах, масляные фильтры в трансмиссии. Перспективными направлениями считаются применение центробежной очистки масла в полостях шатунных шеек коленчатых валов, использование подшипников с одноразовой смазкой (в полуосях задних колес, шарнирах рулевого управления), разработка систем централизованной смазки основных элементов машин.
Надежность машин и оборудования определяется также уровнем организации процессов проектирования и производства на заводе-изготовителе. Научная организация труда конструкторов и рабочих, введение систем бездефектного проектирования, изготовления и сдачи продукции с первого предъявления позволяют существенно повысить качество и надежность изделий.
Для осуществления систематического контроля уровня надежности выпускаемой продукции и разработки мероприятий по повышению долговечности и безотказности элементов машин на заводах создаются службы надежности.
Службы надежности заводов выполняют следующие функции: рассчитывают надежность машин и элементов; анализируют рекламации, поступившие на завод, и устанавливают причины отказов и неисправностей элементов машин; исследуют влияние эксплуатационных факторов на надежность машин и элементов; разрабатывают мероприятия по повышению надежности машин и элементов в ходе их проектирования и изготовления; осуществляют взаимосвязь между эксплуатационниками, конструкторами и изготовителями машин.